談高拉力螺栓接合面的防蝕

鋼結構構件採用高拉力螺栓作為摩擦接合的方式,是一個非常普遍的做法。但是摩擦力等於正向力(軸力)乘以摩擦係數,所以對於接合面的要求,一般都傾向採用摩擦係數最高的方式,也就是噴砂完成面,作為鋼鈑的表面處理方式。這種方式雖然保證了接合面的摩擦係數,但在戶外的鋼構件而言,卻很難做到接合面不會生鏽的程度。因此期望接合面做適當的防鏽,又不至減少摩擦係數太多影響安全性,似乎是一個必要的折衷的選擇。

鋼鐵材料的防鏽,不外乎熱浸鍍鋅及油漆,接合面亦然。因此必須探討這兩者,是否可以使用在高拉力螺栓的接合面上來防鏽呢?

根據公共工程委員會施工規範,「第05121章鋼橋製作及架設」第3.2.3節「鋼橋安裝架設(3)強力螺栓之接合」中,接合構材之接觸面,應保持有0.4以上之摩擦係數,並可依工程司指示,塗佈乾膜厚30μm之無機鋅粉底漆防銹[1]。雖然建築鋼結構並無無機鋅粉底漆的規定[2],但以安全性來說,似乎也是可以比照辦理的。至於歐洲規範則規定,鋼鐵表面的摩擦係數如表1,噴塗無機鋅粉漆厚度在50μm~80μm時,摩擦係數可到0.4[5]。但也有研究說明,此值在膜厚較大時,有可能不夠保守[6]。

對於熱浸鍍鋅而言,純鋅表面的摩擦係數大約在0.2左右。但美國新版RCSC規範規定,對於熱浸鍍鋅的接合表面,若以手工鋼刷而非以電動鋼刷加以粗糙處理後,可以A等級的摩擦係數來設計,也就是μ=0.3[4]。根據AGA測試報告顯示,甚至再以無機鋅粉漆塗佈於熱浸鍍鋅表面,也有0.23~0.55間的摩擦係數[3]。但如在受力較大(90%)情形下使用,長期潛變則有可能超過的問題(≦300μm30年)[7]。

最後到底我們摩擦接合的螺栓,考慮的摩擦係數是多少呢?根據CNS 12209的軸力與剪應力關係,推算其摩擦係數如表二[8]。由表二可知,在一般螺栓尺寸下,實際考慮的摩擦係數大約僅在0.17~0.23間。因此為了接合面的長期防蝕需求,考慮一50μm以下之無機鋅粉底漆,或將熱浸鍍鋅表面以手動鋼刷大力刷毛,不失為一折衷的處理辦法,並不見得一定要讓接觸面保持原始的噴砂表面。

參考資料

1.「鋼橋製作及架設」公共工程委員會綱要規範第05121章 V8.0 2016。

2.「建築鋼結構」公共工程委員會綱要規範第05124章 V8.0 2016。

3.「Slip Factor Studies」American Galvanizer's Association.

4.「Specification for Structure Joints Using ASTM A325 or A490 Bolts」RCSC pp.39, 2014.

5.「Execution of steel structure and aluminium structures」BS EN 1090-2:2008.

6.「Usage of Zinc-Silicate Coatings In Friction Connections」Nenad Fric ,etc. Journal of Applied Engineering Science 14,2016.

7.「Bolted Connections With Hot Dip Galvanized Steel Members With Punched Holes」G. Valtinat, H. Huhn, Connections In Steel Structures V, Amsterdam, June 3-4, 2004.

8.「控制扭矩之高強度螺栓、六角螺帽及平墊圈組」CNS 12209,2005年。

9.劉澤山(2018)。鋼結構施工。

表1 歐規規範對鋼鐵表面的摩擦係數(BS EN 1090-2 Table.18)

表面處理狀況

等級

摩擦係數μ

鋼材表面噴砂(鋼珠或鋼礫等)且無孔蝕

A

0.5

鋼材表面噴砂(鋼珠或鋼礫等)

a.噴塗鋁基或鋅基底塗

b.噴塗無機鋅粉漆厚度在50μm~80μm

B

0.4

鋼材表面以鋼刷或火焰清潔,無浮鏽

C

0.3

未處理表面

D

0.2

 

表2 CNS 12209 高拉力螺栓換算的摩擦係數

         

軸力(kg)

摩擦係數

螺紋公稱

螺距

外徑D

有效斷面積A(mm2)

剪應力 t
  (螺紋面)

最小

最大

最大

最小

M12

1.5

12

88.13

1.2426

5310

7210

0.2340

0.1723

M16

2

16

156.67

2.2090

9870

13400

0.2238

0.1649

M20

2.5

20

244.79

3.4516

15400

20900

0.2241

0.1651

M22

2.5

22

303.40

4.2779

19100

25900

0.2240

0.1652

M24

3

24

352.50

4.9703

22200

30100

0.2239

0.1651

M27

3

27

459.41

6.4776

28900

39200

0.2241

0.1652

M30

3

30

580.45

8.1843

35300

48000

0.2318

0.1705

 

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